香蕉柔性夹持装置的研究

高一华，田旭峰，张日红，杨松夏，朱立学

（仲恺农业学院机电工程学院，广州510000）

0 引言

香蕉属高热量水果，其含有丰富的维生素、淀粉、蛋白质等营养物质，具有广泛的市场及较高的经济效益。我国作为世界上香蕉生产大国之一，对于香蕉的采收作业环节仍旧处于人工阶段，人工采收香蕉通常需要2 人及以上，一或多人负责托举保护香蕉果串并进行转运，一人负责切割香蕉果柄。通常人工采收香蕉需要耗费巨大的人力，劳动强度高、工作效率低且不能保证果串的损伤程度低，这些因素间接影响了香蕉的储存及保鲜时间，在一定程度上降低了香蕉的经济效益。

随着科技的进步，香蕉采收装置也朝着机械化、智能化的方向发展。目前，已有的香蕉采收装置包含索道装置、辅助装置，而索道采收在我国技术相对来说比较成熟，在海南、广西等地都有索道采收香蕉示范园，但索道运输一般只适用于大规模香蕉种植园区，要求较高的前期经费投入且利用率较低，而辅助装置则包括有砍蕉辅助装置与输运辅助装置。这些装置不仅全程需要人工作业，且无法保证香蕉的低损采收，还有可能在与装置接触时造成香蕉的二次损伤。因此，本文旨在研究一种智能化的香蕉柔性抱持装置，该装置能配合采收切割机械手作业，实现香蕉采收的低损化，提高香蕉采收的自动化、智能化水平。

1 柔性抱持装置的关键参数分析

1.1 柔性夹持原则与要求

柔性夹持装置的作用对象是香蕉果串，而香蕉果串有如下特点：果串质量大，个体差异明显，外形尺寸不一，且果皮容易受到机械损伤。主要参数如表1所示。

表1 香蕉及其种植主要参数

根据香蕉果串的以上特性，柔性夹持装置具有一定的柔性空间，解决香蕉采摘运输过程的夹持力过大损伤香蕉、夹持力过小导致香蕉跌落的问题。

香蕉采摘与运输的柔性夹持辅助装置，其中夹持机构是装置设计的重要环节。柔性夹持机构由夹爪与柔性材料组成组合作用与人工抱持香蕉类似，需满足以下原则与要求：无损夹持原则、稳定夹持原则。

1.2 四轴调整机构功能要求

四轴调整平台用于柔性夹持机构的空间位置调整，以便对不同方向、高度的香蕉进行夹持位置的调整，具有四个自由度，可以模拟人工砍蕉、运蕉时对香蕉串的定位动作，其功能要求如下：

（1）位置覆盖功能

能够满足不同高度、不同方位的蕉串的定位调整，柔性夹持机构安装在调整装置上，可以实现前后、左右、上下、回转等四个自由度的位置调整。

（2）同步调整功能

四轴调整装置应当满足多轴联动如四轴联动的功能要求，满足进行果串夹持时对蕉串位置的快速准确定位。

2 夹持机构设计与分析

2.1 设计方案分析与传动方式选择

（1）两种设计方案的三维建模

根据柔性夹持机构的设计原则和功能要求，结合国内外夹持机械研究应用中产生的实际问题，分析适合用于香蕉柔性夹持的结构，因此分析设计了两种夹持机构三维设计方案，并对其进行可行性分析并取优，夹持装置主要有动力部分、传动部分和夹持部分，传动机构分别采用齿轮传动与齿条传动两种，动力部分则采用电动机。夹持部分是整个机构的关键，采用梳状结构与回转型夹爪结构。根据以上设计原则与机械结构设计要求，使用SolidWorks 2018 建模软件对柔性夹持进行三维建模，形成A、B 两种三维模型，如图1 与2所示。

（2）两种设计方案的传动结构设计

方案A 的传动方式为齿轮传动，如图3 所示，采用竖向安装的方式，通过电机输出扭矩，通过联轴器与传感器连接，传感器获取扭矩信息的同时通过联轴器带动主动轴，主动轴通过传动齿轮与从动齿轮的啮合，将动力输出到传动夹爪，传动夹爪带动夹持部件执行夹持动作。其中，电机与传感器都有相应的支架承重，该结构有利于直接从传感器输出电机扭矩，实现电机扭矩的监测与控制。

方案B 的传动方式为齿轮-齿条传动，如图4 所示，采用横向安装的方式，通过电机带动联轴器连接的传感器与齿轮，齿轮与齿条啮合，通过滑轮与爪子连杆，带动爪子实现对中抱持动作。其中，电机与传感器通过支架安装在底板上，降低了装置重心，提高了电机驱动的稳定性与可靠性，有效的保持电机的扭矩输出。

（3）两种设计方案的优缺点分析

图1 方案A 的三维设计图

图2 方案B的三维设计图

图3 方案A 的传动结构设计

方案A 的传动机构采用竖向安装，电机安装在电机支架上，与扭矩传感器等通过联轴器紧密连接，结构紧凑，节省了装置占地空间。且考虑到了传感器需要安装固定，在传感器支架上设计了专用固定螺孔，保证传感器数据监测的准确与可靠。方案A 从夹爪机构上可满足直径300-450mm、高度1000mm 以内的物体的夹持，适合用于蕉串的夹持，同时，夹爪机构简单，便于安装布置柔性材料，可以为后续的研究提供便利。其装置缺点是整体加工成本高，没有考虑加工的特殊要求从而进行装置耗材上的削减，整机笨重，容易导致装置自身超负荷，应当改进装置结构，简化部分零件的设计，适当减轻机体自重，以便更好的投入加工生产。方案B 的传动机构采用横向安装，胜在传动稳定，齿轮齿条传动比之方案A 的优势在于不容易打滑，整个装置容易加工，从成本上来说比之方案A 较低，且夹持机构采用对中夹持，可以满足不规则物体的夹持。方案B的缺点是横向安装的传动方式占用太多空间，该种装置用于田间香蕉柔性夹持，应当极大程度上减少横向空间的占用比例。

图4 方案B的传动结构设计

通过对比两种设计方案的三维模型，可以直观的对比分析出两个方案的优劣之处，通过对比分析，方案A 比方案B 更具有可行性，其在空间与传动上都比方案B 更实际与实用。

方案A 采用回转型夹爪结构，主要针对当下香蕉辅助采摘与运输的柔性夹持存在的问题，对夹持结构进一步简化，我们拟在方案A 的基础上，扩展其优点，进一步设计优化机械结构，改掉或改善上述缺点与不足，以期实现香蕉辅助采摘运输的柔性夹持装置的研发。

2.2 夹爪与夹持扭矩计算

方案A 的夹持结构，对蕉串进行夹持时，有几个关键参数需要关注：夹持扭矩、夹持半径、夹持角度。夹持扭矩指的是夹爪的输出扭矩，夹持半径则为蕉串半径，夹持角度为下图中的∠BCD。由上文可知，一般香蕉果串长度为800-1000mm，直径300-450mm，单串香蕉的质量可达到25-40kg。方案A 中的夹爪采用回转型夹爪结构，结构简单，可以适应不同直径香蕉果串的夹持。但对于回转型夹爪，在夹持蕉串时会出现定位误差，夹持定位误差分析如图5 所示，当二支点的距离a 较大时，偏转角β的大小不易按定位误差最小的条件来确定，因在抓取半径较小的香蕉果串时，两手指的BE 和B'E'边平行而夹不住香蕉果串。

图5 两支点回转型夹爪

为了避免上述情况出现，夹取蕉串的平均半径，使夹持角度∠BCD=90°，来确定二支点回转型夹爪的偏转角β，即：

对于单支点回转型夹爪，偏转角β按最佳值选取，一般不会出现上述夹不住的情况，只有当夹持物体半径极为悬殊时，如Rmax＞5Rmin的情况下，才可能出现上述类似的情况。夹持转位装置，采用电机驱动夹爪，与两支点回转型夹爪相似，由于香蕉果串半径为150-225mm，Rmax＜5Rmin，不会出现上述情况，能够满足夹持香蕉果串的夹持要求，如图6 所示，驱动电机输出扭矩为T，夹持力为F，μ为摩擦系数，W 为夹爪与蕉串重量。

图6 电机输出扭矩的分析

驱动电机扭矩：

所以：

已知香蕉串质量为25-40kg 之间，夹爪材质为304不锈钢，力臂l=0.39m，查机械设计手册得钢-钢摩擦系数为μ=0.15，代入式（1）可得扭矩T 的范围约为325-520N·m 之间，同时由香蕉受力特性试验结果可得三种香蕉表面受力对应的极限扭矩分别如表2 所示，可以发现其所承受的极限扭矩远远小于计算所得扭矩，且计算所得扭矩明显太大，因此考虑在香蕉夹持装置底部加一个底托，托住蕉串，减少夹爪的夹持压力，达到减轻装置输出扭矩的目的。

表2 不同品种香蕉的极限扭矩

2.3 夹持机构设计

根据前文的设计方案的对比与分析，我们对方案A 进行重新设计与结构优化，在SolidWorks 三维建模软件中将关键零部件进行结构简化，如图7 所示为优化后的夹持结构三维模型，为降低夹爪部件的工作负载，增加了香蕉底托，在底部增加了试验支撑架，可以将夹持机构单独作为一个研究对象进行试验，夹持机构移除试验支撑架后可通过装配连接板安装在四轴调整机构的滑台上，实现夹持机构的空间位置调整，夹爪部件选用海绵作为柔性夹持材料，降低夹爪对香蕉串表面的机械损伤，保证夹持效果。

图7 夹持机构三维设计模型

2.4 四轴调整机构设计

四轴调整机构可以满足夹持装置在空间实现4 个自由度的位置变化，分别为前后（X 轴）、左右（Y 轴）、上下（Z 轴）、回转盘四部分，由于香蕉串属于高位大尺寸水果，调整机构需要满足一定的工作行程，根据香蕉种植行距1900mm，株距1600mm 等基础数据，初步拟定工作行程为：上下700mm，左右400mm，前后600mm，回转360°，其总体设计结构如图8 所示。

图8 调整机构三维模型

3 柔性夹持控制系统平台

香蕉柔性夹持自动控制就是要快速、准确、稳定地对香蕉串实现夹持，本系统使用扭矩传感器监测伺服电机输出扭矩，用三菱FX5U 系列PLC 作为香蕉柔性夹持的控制器进行自动夹紧控制，用触摸屏实现可视化操作。因此本控制系统主要由系统控制模块、夹持模块、调整模块三部分组成，系统总体结构框图如图9所示。系统上电后，用户可以通过触摸屏选择控制模式，自动控制模式下输入目标位置参数，系统控制调整机构到达指定位置，限位行程开关得电输出信号，系统启动夹紧伺服电机开始夹持动作，判断扭矩到达指定值后电机停转并锁死，基本程序流程图如图10 所示。

图9 柔性夹持控制系统整体结构框图

4 结语

为了解决香蕉采摘及运输过程中的辅助夹持问题，本文在香蕉受力特性试验的数据与实际考察的香蕉种植参数基础上，对香蕉柔性夹持装置与辅助调整机构进行关键参数分析及设计，得出了两种香蕉柔性夹持方案（方案A 和B），并从传动方式等方面进行方案优缺点分析，筛选出用于实际加工的设计方案，选择传动方式为齿轮-齿轮的方案A，经计算与实验结果分析后，发现该方案在电机扭矩负载输出上更适合香蕉果串这类大尺寸的水果夹持；同时本论文还根据选择出来的方案A 进行关键参数分析，对夹爪扭矩进行计算，并对香蕉受力特性进行验证比对，实验证明方案A的柔性夹持装置设计结构更加合理性，夹持与低损输送效果更优。

图10 程序控制流程图